Ausgewählte Kapitel der Physik

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1 Ausgewählte Kapitel der Physik
Optik Spektren und Farben

2 Optik Helium Unter dem Begriff „Spektrum“ verstehen die Meisten eine grafische Darstellung ausgewählter Eigenschaften (Intensität, Anzahl,…) eines Systems, aufgetragen nach einem bestimmten Parameter (Wellenlänge, Energie, Masse,…). Vor allem in der naturwissenschaftlichen Forschung, der Analytik und der Medizin zählen heute spektroskopische Geräte und -Methoden zu den wichtigsten Einrichtungen. Spektren Skizze von Newton Den entscheidenden Durchbruch brachte Fraunhofer mit der Entdeckung, dass im Sonnenspektrum bestimmte Linien fehlten. Viele Namen aus der zweiten Hälfte des 19. Jh. wie Bunsen, Kirchhoff, Rayleigh, Boltzmann,….. und v.a. M.Planck und A.Einstein sind mit dem Arbeitsbereich der Spektroskopie verbunden. Spektroskopische Befunde lieferten wichtige Beiträge zur Erstellung des Periodensystems der Elemente, leisteten Vorschub für die Bohrsche Atomtheorie, die Lasertheorie und die Quantentheorie. Auch die Astronomie hat mit der Spektroskopie ein wichtiges Werkzeug um aus den „Farben“ der fernen Galaxien Rückschlüsse auf das Universum bis zurück zum Urknall zu ziehen. Aus der heutigen Analytik ist die Spektroskopie und Spektrometrie nicht mehr wegzudenken. Der Begriff „Spektrometrie“, geht allerdings heute weit über das klassische Vermessen von fotografischen Aufnahmen im sichtbaren Licht hinaus. Bunsen und Kirchhoff

3 Optik Spektren Ein System wird von einem breitbandigen Energiefluss durchsetzt. Es nimmt im Resonanzfall in bestimmten Bereichen Energie heraus. Dem Energiefluss fehlen dann diese Bereiche, die jedoch gerade für das untersuchte System charakteristisch sind. z.B. Fraunhofersche Linien im kontinuierlichen Farbspektrum des Sonnenlichts.(Absorptionsspektroskopie, … ) Das zu untersuchende System kann aber auch zur Emission angeregt werden, so dass es von sich aus verschiedene Eigenschaften als Spektrum darlegt. Thermische Anregung führt zu selektiven Leuchterscheinungen, Farben, Lumineszenz,… Auch der Beschuss einer Probe mit Ionen, Atomen, Elektronen oder elmagn.Strahlung führt zu spektralen Antworten hinsichtlich Energieverteilung, Wellenlängen, Massen etc…, die wiederum Aufschluss über Art und Struktur der Probe geben. Unter UV-Anregung wird der falsche „Fuchziger“ gänzlich zu blauer Lumineszenz angeregt, der echte fluoresziert nur an bestimmten Stellen. Die Flammenprobe zeigt die charakteristische Flammenfärbung der Alkalisalze. Die nächsten Folien sollen einen Überblick zu der enormen Anzahl an spektroskopischen Methoden geben.

4 Spektroskopiearten nach Wellenlängen und untersuchten Eigenschaften
Spektroskopiearten nach Wellenlängen und untersuchten Eigenschaften

5 Liste mit Spektroskopiearten und -methoden in der Analytik
Molekülspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Moleküle, vor allem der Valenzelektronen-Energieniveaus und der Molekülschwingungen und -rotationen Frequenzmodulationsspektroskopie Fluoreszenzspektroskopie Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie Schwingungsspektroskopie Infrarotspektroskopie (IR) Ramanspektroskopie Kernresonanzspektroskopie (NMR, auch Hochfrequenzspektroskopie) Elektronenspinresonanz (ESR/EPR) Elektron-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) Mikrowellenspektroskopie UV/VIS-Spektroskopie (UV/Vis) Festkörperspektroskopie – Messungen der Eigenschaften ganzer Festkörper (wie Kristalle), vor allem deren Bandstrukturdetails Absorptions- oder Transmissionsspektroskopie Reflexionsspektroskopie Fotoleitungsspektroskopie Impedanzspektroskopie (Dielektrische Spektroskopie) Laserspektroskopie Cavity-ring-down-Spektroskopie (CRDS, auch CRLAS) Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Ultrakurzzeit-Spektroskopie – Messungen der Details von schnellen Vorgängen, vor allem chemischer Reaktionen Atomspektroskopie – Messungen der Eigenschaften einzelner Atome, vor allem ihrer Elektronen-Energieniveaus Atomabsorptionsspektroskopie (AAS/OAS) Flammentechnik Graphitrohrtechnik Hydridtechnik Atomemissionsspektroskopie (AES/OES) Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP-AES) Mikrowellen-Plasmafackel-AES (MPT-AES) Atomfluoreszenzspektroskopie (AFS) Gammaspektroskopie Mößbauer-Spektroskopie (beruhend auf dem Mößbauer-Effekt) Elektronenspektroskopie Photoelektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlen (XPS) Photoelektronenspektroskopie mit UV-Licht (UPS) Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) Röntgenspektroskopie (XRS) Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Röntgenbeugungsspektroskopie Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) Glimmentladungsspektroskopie (GDOES)

6 Spektren Optik Klassische Optische Spektroskopie: Brechung am Prisma:

7 Optik Spektren Als Strahlquelle wird ein HeNe-Laser mit der bekannten Wellenlänge von 632,8 nm verwendet. Der Abstand zur Wand z und der seitliche Abstand x liefern den Beugungswinkel a = artan(x/z). Die Position der Beugungspunkte ist dann gegeben durch: g*sin(a) = k * l k=1,2,3..ist die Ordnung der Beugung, g ist der Gitterabstand Ist beispielsweise die Wellenlänge gegeben, so kann damit das Gitter genauestens vermessen werden. Die Beugungsmethoden sind an sich sehr genau, selbst bei unserem „fliegenden“ Aufbau sind Messabweichungen unter 1% erreichbar.

8 Optik Spektren Rasterelektronische Abbildung eines Glasstabs mit einem 10µm-Beugungsgitter, wie es im Labor verwendet wird. (möglicherweise müsste hier das REM nachkalibriert werden, denn die Maßstäbe wurden mit hoher Präzision gefertigt) Rasterelektronenmikroskopische Abbildung des Beugungsgitters, Blickrichtung = Durchstrahlungsrichtung, in Glas geätzte Linien, zur Aufnahme mit Gold bedampft.

9 Spektren

10 Spektren

11 Optik Spektren 10^-99

12 Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers
Alle Körper mit einer Temperatur über 0 Kelvin senden auf Grund ihrer atomaren Oszillatoren elektromagnetische Strahlung aus. „Wärmestrahlung“. Sogar das kalte Universum hat noch eine Temperatur von K. Dzt. Tiefste Temp. Ist ½ nanoK erreichte Die Intensitäts-Verteilung des gesamten Emissionsspektrums wird genau beschrieben durch das Plancksche Strahlungsgesetz. (nächste Folie) Ein „schwarzer Körper“ absorbiert alle Wellenlängen und hat daher einen Absorptionsgrad von 100% bzw. 1, er reflektiert nicht und erscheint daher schwarz. Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz besagt, dass für alle Körper ihr Absorptionsgrad a(l,T) gleich dem Emissionsgrad e(l,T) ist. Bei gegebener Temperatur und Wellenlänge strahlt also der „schwarze Körper“ am besten. „Schwarz“ bedeutet, dass alle Wellenlängen wie von einem Loch aufgesaugt werden. Von etwa 700°C aufwärts wird die elmag. Abstrahlung eines „schwarzen“Körpers von unserem Auge als tiefrot wahrgenommen. Ein nicht schwarzer Körper strahlt weniger ab, nämlich den Teil der Strahlung des schwarzen Körpers gleicher Temperatur mal seinem Emissionsfaktor e<1. Problematisch sind vor allem spiegelnde und metallische Flächen, entscheidend sind die Oberflächen. Von Stefan und Boltzmann stammt die Aussage, dass die Strahlungsleistung mit der vierten Potenz der abs. Temperatur ansteigt und zur strahlenden Fläche proportional ist. P = s *e*A*T4 s = 5,67 W/m²/K4 …Strahlungskonstante

13 Spektren Optik Plancksches Strahlungsgesetz:
Optik Spektren Plancksches Strahlungsgesetz: Beschreibt die Strahlungsleistung eines schwarzen Strahlers als Funktion der Temperatur T und der Wellenlänge l . Im Diagramm ist die differenzielle Strahlungsleistung L(l) dargestellt. Die gesamte Strahlungsleistung erhält man durch Integrieren über alle Wellenlängen. Das Plancksche Gesetz fasst die Vorgängergesetze von Rayleigh-Jeans und Wien zusammen. Es markiert 1900 den Übergang von der klassischen- zur Quantentheorie. .. Photon als Energiequant eingeführt. Eph= h*c0 / l = h*f

14 Optik Farben

15 Optik Farben

16 Optik Farben

17 Optik Farben

18 Optik Farben

19 Farben Optik 19.03.2020 CIE 1931 standard colorimetric observer
"Normalbeobachter" l, nm x y z x+y+z Farbe Integral x Integral y Integral z Wellenlänge p d t Integral p Integral d Integral t 380 0,001368 0,000039 0,006450 0,174112 0,004964 0,820924 1 2,29E-11 3,987E-12 1,137E-13 1,88E-11 0, 1,36174E-13 2,40085E-13 2,25211E-11 385 0,002236 0,000064 0,010550 0,174008 0,004981 0,821012 6,692E-10 1,164E-10 3,333E-12 5,494E-10 0, 6,69E-10 3,99219E-12 7,07865E-12 6,58088E-10 390 0,004243 0,000120 0,020050 0,173801 0,004915 0,821284 1,523E-08 2,647E-09 7,486E-11 1,251E-08 0, 1,52E-08 8,96478E-11 1,6168E-10 1,49787E-08 395 0,007650 0,000217 0,036210 0,17356 0,004923 0,821517 2,7E-07 4,685E-08 1,329E-09 2,218E-07 0, 1,59083E-09 2,91129E-09 2,65456E-07 400 0,014310 0,000396 0,067850 0,173337 0,004797 0,821866 3,727E-06 6,46E-07 1,788E-08 3,063E-06 0, 3,73E-06 2,13918E-08 4,00264E-08 3,66523E-06 405 0,023190 0,000640 0,110200 0,173021 0,004775 0,822204 4,007E-05 6,932E-06 1,913E-07 3,294E-05 0,001223 4,01E-05 2,28816E-07 4,37253E-07 3,93992E-05 410 0,043510 0,001210 0,207400 0,172577 0,004799 0,822624 0, 5,789E-05 1,61E-06 0,000276 0,002371 0,000335 1,92392E-06 3,76992E-06 0, 415 0,077630 0,002180 0,371300 0,172087 0,004833 0,823081 0, 0, 1,057E-05 0, 0,004385 0,002187 1,26202E-05 2,53851E-05 0, 420 0,134380 0,004000 0,645600 0,171407 0,005102 0,82349 0,011109 0, 5,668E-05 0, 0, 6,75539E-05 0, 0, 425 0,214770 0,007300 1,039050 0,170301 0,005789 0,82391 0, 0, 0, 0, 0, 0,043937 0, 0, 0, 430 0,283900 0,011600 1,385600 0,168878 0,0069 0,824222 0, 0, 0, 0, 0,023742 0,135335 0, 0, 0, 435 0,328500 0,016840 1,622960 0,166895 0,008556 0,824549 0, 0,054183 0, 0, 0, 0,324652 0, 0, 0, 440 0,348280 0,023000 1,747060 0,164412 0,010858 0,824731 0, 0, 0, 0, 0, 0,606531 0, 0, 0, 445 0,348060 0,029800 1,782600 0,161105 0,013793 0,825102 0, 0, 0, 0,72815 0, 0,882497 0, 0, 0, 450 0,336200 0,038000 1,772110 0,156641 0,017705 0,825654 0, 0, 0, 0,074239 0, 0, 0, 455 0,318700 0,048000 1,744100 0,150985 0,02274 0,826274 0, 0, 0, 0,093088 0, 0, 0, 460 0,290800 0,060000 1,669200 0,14396 0,029703 0,826337 0, 0, 0, 0,114752 0, 0, 0, 465 0,251100 0,073900 1,528100 0,135503 0,039879 0,824618 0, 0, 0, 0,137808 0, 0, 0, 470 0,195360 0,090980 1,287640 0,124118 0,057803 0,818079 0, 0, 0,110715 0, 0, 0, 0, 475 0,142100 0,112600 1,041900 0,109594 0,086843 0,803563 0, 0, 0, 0,19196 0, 0, 0, 480 0,095640 0,139020 0,812950 0,091294 0,132702 0,776004 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 485 0,057950 0,169300 0,616200 0,068706 0,200723 0,730571 0, 0, 0, 0,265211 0, 0, 0, 490 0,032010 0,208020 0,465180 0,045391 0,294976 0,659633 1,523E-05 9,895E-05 0, 0, 7,06376E-05 0, 0, 495 0,014700 0,258600 0,353300 0,02346 0,412703 0,563837 9,399E-07 1,654E-05 2,259E-05 0,380264 1,04427E-05 1,53557E-05 1,42669E-05 500 0,004900 0,323000 0,272000 0,008168 0,538423 0,453409 3,044E-08 2,007E-06 1,69E-06 0,464226 1,1364E-06 1,63328E-06 9,56972E-07 505 0,002400 0,407300 0,212300 0,003859 0,654823 0,341318 1,042E-09 1,768E-07 9,214E-08 0,574054 9,21153E-08 1,29829E-07 4,8014E-08 510 0,009300 0,503000 0,158200 0,01387 0,750186 0,235943 2,112E-10 1,143E-08 3,593E-09 0,695622 5,64605E-09 7,80818E-09 1,77575E-09 515 0,029100 0,608200 0,111700 0,038852 0,812016 0,149132 B G Y R 2,6E-11 5,434E-10 9,979E-11 0,824936 2,63447E-10 3,57328E-10 4,83838E-11 520 0,063270 0,710000 0,078250 0,074302 0,833803 0,091894 1,701E-12 1,909E-11 2,104E-12 0, 9,38323E-12 1,248E-11 1,03414E-12 525 0,109600 0,793200 0,057250 0,114161 0,826207 0,059632 6,102E-13 6,966E-14 5,041E-13 3,639E-14 1,034061 6,1E-13 2,56834E-13 3,34824E-13 1,85373E-14 530 0,165500 0,862000 0,042160 0,154722 0,805864 0,039414 1,343E-14 2,077E-15 1,082E-14 5,292E-16 1,100406 1,34E-14 5,77369E-15 7,37054E-15 2,82388E-16 535 0,225750 0,914850 0,029840 0,192876 0,781629 0,025495 2,17E-13 4,185E-14 1,696E-13 5,531E-15 1,143335 9,50598E-14 1,18801E-13 3,1006E-15 540 0,290400 0,954000 0,020300 0,22962 0,754329 0,016051 3,738E-11 8,582E-12 2,819E-11 5,999E-13 1,165886 3,74E-11 1,66604E-11 2,03608E-11 3,54515E-13 545 0,359700 0,980300 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